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デバイス表面の超高周波振動の測定
Application Note デバイス表面の超高周波振動の測定 応用分野 A 航空宇宙 B 音響 C 自動車 D データストレージ G 一般的な振動測定 M マイクロデバイス P 生産ラインでのテスト S 自然科学および医療 T 構造検査 U 超音波 超音波トランスデューサ表面に発生する振動を UHF-120 超高周波レーザドップラ振動計で測定 マイクロセンサ、 アクチュエータなど、高MHz帯域で振動する微細加工部品の生産量は年々、増加の一途 をたどっています。高周波で振動するマイクロデバイスには、たとえば MEMS（Micro-ElectroMechanical Systems）やNEMS (Nano-ElectroMechanical Systems）、表面弾性波（SAW） フィルタ、 そして医療用画 像装置などに利用されている超音波センサなどが挙げられます。 こうしたマイクロデバイスの動特性を評価することは、部品の性能テスト、既存のシミュレーション モデルの 検証、構造体設計の最適化などにおいて必要不可欠です。 マイクロデバイスの振動を測定する計測手法はいくつかありますが、特にレーザドップラ振動計は、測定す るターゲットに触れることなく、 デバイスに損傷を与えない高精度な測定が可能です。 ポリテックの振動計で測定できる振動周波数は、最近 まで最大で 24 MHz に留まっていました。 しかしUHF-120 超高周波レーザドップラ振動計の登場 により、高周波で振動する超音波デバイス（表1）の動特 性を、簡単かつ高い信頼性で、最大振動周波数1.2 GHz まで測定できるようになりました。 デバイス RF-MEMS SAW フィルタ NEMS 周波数帯域 1 MHz ∼ 3 GHz 10 MHz ∼ 60 GHz 50 MHz ∼ 1 GHz HF 超音波トランスデューサ 1 MHz ∼ 1 GHz 表1: デバイスごとの標準的な振動周波数帯域 ポリテックジャパン株式会社 アプリケーション ノート VIB-G-14 2010年4月 Advancing Measurements by Light www.polytec.co.jp UHF-120 超高周波レーザドップラ振動 計の測定原理と設計 UHF-120 の測定原理は、他のポリテック 製振動計と同じように、レーザドップラ干 渉法に基づいています。振動するオブジェ クトに、振動計のレーザビームを照射しま す。すると反射した散乱光は、ドップラー効 果に基づき、その周波数と位相が変化しま す。この周波数と位相の変化は、干渉法を 用いて測定します。 顕微鏡ベースのUHF-120 センサヘッド（図 1、図2）には、Mach Zehnder型光ヘテロ ダイン干渉計が搭載されています。参照用 ビームと測定ビーム（測定オブジェクトに照 射しドップラーシフトが発生したもの）は、 干渉を起こし、ビート信号を発生します。ビ ートとは近い周波数を持つ2つのコヒーレン ト波による干渉のことです。オブジェクトが 直線振動だけでなく前後運動もするとき、 周波数と位相が変調された信号が生成さ れます。この信号には、オブジェクトのすべ ての振動情報が含まれています。そしてこの 信号を、商用のオシロスコープでサンプリン グし（最大レート: 40 ギガサンプル/秒）、デ ジタル化します。デジタル化されたデータは Ethernet経由でPCに転送され、PCで復調 されます。データは付属のPolytec Software を利用して画面に表示したり、アニメーショ ン化することができます。 超音波センサの動作原理 UHF-120のシステム全体（図2）は、 セン サヘッド（1）、 オシロスコープ（2）、測定 用コンピュータ（3）、およびコントローラ （4）から構成されます。コントローラは、測 定コンピュータとセンサヘッド間インタフェ ースとなります。UHF-120ではスキャニング （表面）測定も可能ですが、その場合はこ の構成にX/Y位置決めステージを追加する だけで実行できます。 この2種類の超音波センサはいずれも、超 音波トランスミッタおよびレシーバとして動 作します（超音波トランスデューサ）。 超音波センサの測定 ここで測定例に挙げる2つの超音波センサ は、いずれもドイツ・フランウンホーファー 研究所 生物医学技術研究所（Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering（IBMT, St. Ingbert））で、腹部画像検査、細胞の画 像検査、および表面測定用途向けに開発さ れたものです。測定の目的として、これらの 部品の面外振動を測定することにより、空 中の3次元の音場分散を把握します。 2つの配列の機能および動作モードに応 じて、ピエゾアレイ上層に薄膜メンブレン （100 MHzアレイ）またはインピーダンス マッチングレイヤ（5 MHz）のいずれかが形 成されています。ピエゾアレイに一定の電 圧を印加すると、各ピエゾのたわみの振幅 と位相を変化させることができます。ピエ ゾ効果によって発生した結晶振動（面外） が、その上層の薄膜メンブレンまたはマッ チングレイヤに伝わります。 振動させられたメンブレンやマッチングレ イヤから、超音波が発生します。この超音 波は、ピエゾの制御を変化させることで、そ の形状と周波数を変化させることができま す。各アレイ素子ごとに適切な振幅と位相 を選択することにより、例えば、焦点距離 が可変な集束超音波を、低周波センサで発 生させることが可能になります。 （1） コントローラ （4） センサ（1） コンピュータ （3） （4） オシロスコープ（2） デジタルデータ アナログ信号 トリガ信号 ファンクション ジェネレータ 図1: UHF-120 センサヘッド （1） とコントローラ （4） 図2: UHF-120システム全体のデータフロー 2 センサ1（低周波超音波センサ）の測定 このセンサは、腹部画像検査に利用される センサであり、表面積は約 10 x 10 mm²、 振動周波数は 5 MHz です。低周波センサ の測定には、5倍の対物レンズを用います。 この対物レンズを使用したときのカメラの 測定視野は 1.42 x 1.1 mm²です。 約 10 x 10 mm² のセンサ表面を測定する には、表面全体を合計30箇所（5 x 6）の測 定グリッドに分割し、個々のグリッドを1つ ずつスキャンしながら測定します。1つの測 定グリッドごとに、234点の測定ポイントを 定義します。スキャンの実行中は、各スキャ ンポイントの振幅と位相が20マイクロ秒間 記録されます。各測定は、トリガ信号によ って開始されます。このトリガ信号は同時 に、位相のリファレンスとしても使用され ます。 図3 図4 図5 図6 図7 図8 図9 図10 図 3 – 10: 低周波超音波センサの振動特性 3 スキャンおよび記録した個々のグリッドの データはその後、Polytec Softwareで結合 され、アニメーションに表示されます。次の 8枚の写真（図3∼10）は、振動アニメーショ ンの画像をコマ送りにしたものです。全体の 振動時間は5マイクロ秒、 最大振幅は±40 nm（peak to peak）です。図11は、選択した 測定ポイントにおける振幅時間のプロファ イルを示しています。 図11: 選択した測定ポイントにおける振幅時間プロファイル これらの画像から、ピエゾアレイと薄型イン ピーダンス マッチングレイヤで調整された 振動を励起することにより、特定の波形を 持つ超音波を発生させることが可能なこと が分かります。 前半の4つの画像における振動のプロファ イルを見ると、最初にメンブレンの端の方 のエリア、次にメンブレンの中央のエリア で振動が励起しているのが分かります。そ のため超音波も、中央よりもまず外側から 励起します。その結果、ある焦点距離を持 った、求める形状の球面波を励起させるこ とができます。 IBMTによるデータの解析 IBMTの研究チームでは、PSV Softwareでア ニメーション化した最初の測定データに基 づき、メンブレンの振動特性が既存のシミ ュレーションと合致していることを確認で きました。また測定データの詳細な解析を ベースに、既存の振動モデルの改善と修正 が行われました。ただしデータの解析条件 として、メンブレンは実際の使用条件とは 異なり水中では駆動されず、測定時は水圧 による減衰が生じていないことを考慮に入 れる必要がありました。 新しく改善されたシミュレーション モデル を使用することにより、IBMTはメンブレン の振動のシミュレーションと、それによって 生じる3次元での超音波伝搬のシミュレー ションが可能になりました。これにより、部 品の機能評価を、3次元のノイズ場を測定す る従来の方法にかわり、大幅に短時間で行 うことが可能になりました。 センサ2（高周波超音波センサ）の測定 このタイプのセンサは、細胞の画像検査お よび表面測定用途に利用されます。このセ ンサの表面積は約 0.8 x 2.4 mm²、振動周 波数は105 MHzです。高周波帯域の超音波 センサの測定では、3つの測定グリッドを10 倍対物レンズを使用してスキャンおよび測 定します。各測定グリッドには、405点のサ ンプルポイントを設定します。低周波センサ と異なり、このセンサは1mmの厚い水の層 で覆われており、その上層は薄いガラス片が 載せられています。この方法により、このト ランスデューサの測定をより実際の使用に 近い条件で行うことができます。低周波セ ンサではメンブレンの振動により集束した 超音波を励起しますが、高周波センサでは 複数の素子を同時に励起するのみであり、 スキャンのソートが可能になります。 振動が励起されるメンブレンのエリアは、 センサ上でどの接点（図12）を制御するか によって決まります。このため例えば、 「ス キャニング超音波測定」では、メンブレン のさまざまなエリアを互いに同位相で振 動させることができ、それによって水平音 波を異なるポイントで伝送することができ ます。このように発生した音波は測定中の ターゲットに反射し、超音波センサで再び 検出されます。 4 図12: 1 mmの水の層とガラスで覆われた 高周波超音波センサの顕微鏡写真 次の9枚の写真（図13∼21）では、超音波ト ランスデューサの中央にある4つのピエゾを 励起させたときの結果を示しています。これ らの写真では、メンブレン表面の振動が、 ピエゾアレイによって、明確に定義された エリア全体で発生していることが確認でき ます。105 MHz 前後で振動するメンブレン は、約0.5 マイクロ秒を過ぎた頃に安定し ます。メンブレンの最大振幅は、図13に示 されるとおり、150 pm 強付近です。メンブ レンの振動形状を見ると、水の層による強 い減衰の結果、メンブレンの真下にピエゾ があるエリアのみが振動を開始しているこ とが明らかに分かります。またこのメンブ レンでは、ほぼ平坦で、同時に空間的に鋭 く集束された音波が発生していることが確 認できます。 図 13 図 14 図 15 図 16 図 17 図 18 図 19 図 20 図 21 図13 ∼ 21: 高周波超音波センサの振動特性 5 ます。 IBMTによるデータの解析 水中で測定された面外振動データ に基づ き、再度IBMTでは、モデルを使用して発生 させた音場を空間的にシミュレートするこ とが可能になりました。水中での測定デー タはこうして、シミュレートされた音場に対 する現実的な基礎データとして役立てるこ とができます。 1 まとめ IBMTでは、トランスデューサの表面を測定 することにより、超音波音場の測定に必要 な作業時間の大幅な短縮が実現されていま す。測定室にノイズセンサを設置して3次元 で音場を測定するかわりに、発生した音場 を1回以上のスキャニング測定と、その後に 行うシミュレーションによって特定すること が可能となっています。 UHF-120 高周波レーザドップラ振動計で は、高周波で振動する構造体の振動特性 を、非常に高い精度で比較的容易に測定 することができます。また測定データの高 い精度とは逆に、測定時間が非常に短いこ とも、UHF-120の重要な特長であり、特に 開発工程において決定的なメリットとなり 高周波センサの結果解析では、参照用のデバイスは水中で必ず駆動している必要がありました。光路、つま り光がたどる経路は、屈折率を乗算した幾何学的経路から計算されます。水中の屈折率は n = 1.33であり、 空中の屈折率 n = 1よりも大きくなっています。このため、水中を進む光の光路は、1.33の係数で大きくなり ます。このとき振動計は、係数1.33の大きすぎる光路で計算してしまうため、振幅値を正確に測定するに 1 技術的な仕様は予告なく変更される場合があります。OM_AN_VIB-G-14_UHF-Scanning_2010_04_J は、すべての測定結果を1.33で除算する必要があります。ただしこの計算は、シグナル プロセッサの 機能によりPSV Software上で簡単に行うことができます。 ポリテックジャパン株式会社 〒222-0033 神奈川県横浜市港北区新横浜 3-1-9 アリーナタワー13F Tel. 045-478-6980 Fax 045-478-6981 [email protected] Polytec GmbH (Germany) Polytec Headquarters Polytec-Platz 1-7 76337 Waldbronn Tel. + 49 (0) 7243 604-0 Fax + 49 (0) 7243 69944 [email protected] Polytec France S.A.S. 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